5G ist das Rückgrat der Kommunikationsbranche und wird revolutionäre Anwendungen in anderen Märkten wie Industrie, Automobil, Medizin und sogar Landesverteidigung ermöglichen. Für eine Welt, die zunehmend mit dem Internet der Dinge (IoT) verbunden ist, sind die bemerkenswerten Verbesserungen von 5G in Bezug auf Geschwindigkeit (mindestens zehnmal schneller als 4G, bis zu 10 Gbit/s), Latenz (zehnmal niedriger als 4G, bis zu 1 ms) und Dichte (unterstützt 1 Millionen IoT-Geräte pro Quadratkilometer) werden viele innovative Anwendungen ermöglichen, insbesondere in wichtigen Bereichen wie Sicherheit, Zuverlässigkeit, Servicequalität, Effizienz und Kosten.

Wie in der Abbildung unten dargestellt, wird 5G die Verbindung von Gütern und Diensten realisieren, während „Güter“ im Benutzer- oder Unternehmensbereich angesiedelt sein werden, während „Dienste“ normalerweise in der Cloud angesiedelt sind. Das 5G-Netzwerk wird in der Lage sein, die Parallelverbindung flexibel aufzuteilen, das von den Benutzern geforderte Serviceniveau durch Anpassung perfekt anzupassen und ein hervorragendes Kosten-Leistungs-Verhältnis zu bieten.

5G ist nicht nur eine weitere „Ära“ in der Entwicklung von Kommunikationsstandards, sondern auch ein allgemeiner Begriff, der mindestens drei große Trends umfasst. Nach der Definition der Internationalen Fernmeldeunion ist der erste Trend das Enhanced Mobile Broadband (emBB), das Innovationsbereiche wie Augmented Reality und Virtual Reality stärken wird. Der zweite Trend ist Massive Machine Class Communication (mMTC), einschließlich der allgegenwärtigen IoT-Sensorkonnektivität. Der dritte Punkt ist eine äußerst zuverlässige Kommunikation mit geringer Verzögerung für Schlüsselanwendungen wie automatisches Fahren oder Fernchirurgie.

5G wird überall verfügbar sein, Smartphones, Autos, Versorgungsgeräte, Wearables, Operationssäle in Krankenhäusern, große Fabriken, Stromnetze und andere Anwendungen abdecken und dem Konzept von Smart Cities, intelligenter Fertigung und der vernetzten Welt näher kommen.

Das 5G New Radio (NR) ist mit LTE Advanced verknüpft, das nach wie vor ein wesentlicher Bestandteil der 5G-Plattform ist, um den Betrieb auf der bestehenden Kernnetzinfrastruktur sicherzustellen. Mit der Einführung der 15. Version des Third Generation Partnership Program (3GPP), die Ende 2017 abgeschlossen wurde, hat dieser Ansatz es der Branche ermöglicht, im Spektrum unterhalb von 6 GHz stetige Fortschritte zu erzielen. Bis 2020 wird die 15. Ausgabe in der Lage sein, die frühzeitige Einführung der meisten 5G-Netze zu fördern.

Es wird jedoch erwartet, dass der in der zweiten Jahreshälfte 2019 veröffentlichte 16. Standard Auswirkungen auf das Frequenzspektrum über 6GH (z-Millimeterwelle) haben wird (siehe Abbildung unten).

Die 16. Ausgabe ist von entscheidender Bedeutung für kritische Kommunikationsdienste, virtuelle Realität und das Low Power Wide Area (LPWA) Internet der Dinge. Es wird erwartet, dass dieser Standard das tatsächliche Potenzial ausschöpft, das normalerweise als 5G-Vision angepriesen wird – er wird viele Anwendungen und verschiedene neue Funktionen ermöglichen, wie z. B. die gemeinsame Nutzung von Frequenzen, den Cellular Internet of Vehicles (C-V2X)-Standard für die Automobilindustrie usw ., wodurch sich das Muster der Kommunikationsbranche völlig veränderte.

Der erste Business Case von 5G ist ganz einfach:

Es verbessert die Netzwerkkapazität, Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit und reduziert die Latenz zu den gleichen Kosten wie 4G.

Der zweite Geschäftsfall wurde in den Vereinigten Staaten kommerziell in Betrieb genommen, nämlich eine feste drahtlose Anwendung, die Millimeterwellenfrequenz (3GPP wurde nicht spezifiziert) verwendet, um Remote-Benutzer abzudecken und so eine kostengünstige Verbindung mit 300 Mbit/s oder mehr bereitzustellen Installationsalternative von Glasfaser. Damit wurden die Anforderungen der meisten Mobilfunkbetreiber auf der Welt erfüllt, die an frühen 5G-Tests und -Tests teilgenommen haben, sowie der Betreiber, die eine Infrastruktur zur Unterstützung der Einführung von 5G-Diensten aufgebaut haben (zunächst Infrastruktur im Kernnetz aufbauen und die Abdeckung erhöhen). Dichte neuer heterogener Mobilfunknetze).

Unter den Ländern/Regionen, die an frühen Tests und Tests teilnahmen, begannen die Vereinigten Staaten schneller als jedes andere Land mit der Förderung von 5G, um sich auf die erforderliche Verdichtung der Mobilfunknetzabdeckung vorzubereiten, blieben jedoch bei der Installation von Basis-Transceiver-Stationen (BTS) zurück. Als Referenz: Die Vereinigten Staaten installierten im Jahr 2018 etwa 200.000 Basisstationen, während China etwa 2 Millionen Basisstationen unterhielt. Darüber hinaus verfügt China auch über 70% der weltweit bestehenden Internet-der-Dinge-Verbindungen, was die Werbebedürfnisse der beiden Länder sehr unterschiedlich macht. Zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels gab es neue Frequenzauktionen in Südkorea, Australien, dem Vereinigten Königreich, Italien, Spanien, den Vereinigten Staaten und Deutschland oder sie wurden in den Plan aufgenommen.

Auf der World Mobile Communication Conference 2018 prognostizierte die GSMA, dass es bis 2023 etwa 400 Millionen 5G-Verbindungen (davon 30% in den Vereinigten Staaten) geben wird, die Verbraucheranwendungen und Unternehmensanwendungen abdecken.

Nicht nur Kommunikationsdienstleister (CSPs) sind voller Erwartungen an die Entwicklung von 5G, denn auch viele nicht-traditionelle Akteure sind bestrebt, sich im 5G-Bereich auszuprobieren. Anbieter von Over-the-Top-Medien (OTT) (einschließlich Facebook, Microsoft, Google und Amazon) beobachten die Geschäftsmöglichkeiten genau. Diese OTT-Anbieter besitzen die Cloud, in der sich die meisten Dienste befinden, und sind daher die Hauptteilnehmer am 5G-Betrieb. Sie haben jedoch keine Zugriffsrechte und dieser Teil wird weiterhin vollständig von CSP gehostet.

Schon bei der Implementierung von 4G wurden viele Netzwerkfunktionen virtualisiert, was eine deutliche Weiterentwicklung des Public-Cloud-Teils der Infrastruktur (Infrastructure as a Service) ermöglicht. Allerdings ist der Sender weiterhin fest in der Hand des CSP. Das symbiotische Funktionssystem erfordert die richtige Verbindung zwischen Anbietern und Nutzern und deren intelligente Steuerung. In den Entwicklungsprozess dieser Verbindungen werden neue Technologien wie Network Slicing und Edge Computing einbezogen, die wichtige neue Funktionen von 5G darstellen.

Netzwerk-Slice

Computing näher an den Nutzer zu bringen (Edge Computing) ist ein wichtiger Teil des 5G-Plans. Ein weiteres ebenso wichtiges zukünftiges Element von 5G ist jedoch das Konzept des Network Slicing, das das softwaredefinierte Netzwerkkonzept von 4G auf ein neues Niveau bringen kann.

Wie in der Abbildung unten dargestellt, ermöglicht Network Slicing den Betreibern die Trennung der Paketflussschicht von der Kontrollschicht und unterstützt die parallele Ausführung mehrerer Anwendungen und Dienste für eine Reihe von Benutzern mit unterschiedlichen Qualitäts-, Verzögerungs- und Bandbreitenniveaus.

Das bedeutet, dass das 5G-System über viele logische Netzwerkabschnitte (oder „Fast-Tracking-Kanäle“) verfügt, um bestimmte Anwendungen und Kunden zu unterstützen. Beispielsweise benötigen einige Kunden von Betreibern möglicherweise EMBB, um Augmented-Reality-Tools zu verwenden, während andere Kunden möglicherweise Netzwerke benötigen, die für mMTC, automatisches Fahren oder Fernchirurgie geeignet sind, sodass sie unterschiedliche Netzwerkattribute bereitstellen müssen. Jede Anwendung hat ihre eigenen spezifischen Anforderungen. Durch die Aufteilung des Netzwerks in verschiedene private Sitzungen oder parallele Verbindungen können unterschiedliche Slices entsprechend optimiert werden.

Dies ermöglicht es Betreibern, Netzwerke in Form von „Network as a Service“ an Kunden zu verkaufen, so dass jeder Kunde das Netzwerk-Slice erleben kann, als ob es physisch vollständig vom Ganzen isoliert wäre: Einige ähneln der „Bereitschaft, ein Netzwerk zu teilen“. „Ein Stück Kuchen“-Methode und Echtzeitmodulation der in der Formel verfügbaren Inhaltsstoffe. Im Wesentlichen kann Network Slicing die betriebliche Effizienz verbessern und die Markteinführungszeit für die Implementierung neuer Dienste verkürzen.

Tatsächlich könnte Network Slicing einen der größten Beiträge zur Bereitstellung kostengünstiger neuer 5G-Dienste für Unternehmenskunden leisten.

Edge Computing bedeutet, Entscheidungen in Echtzeit nah an der Datenquelle zu treffen. Durch die Platzierung von Rechenintelligenz in der Nähe separater und unterschiedlicher Datenquellen kann Edge Computing die Latenz bei der Implementierung angeforderter Dienste reduzieren. Edge Computing sendet Daten nicht zur Verarbeitung durch das gesamte Kernnetzwerk in die Cloud, sondern nutzt eine verteilte Netzwerkarchitektur, um eine Verarbeitung nahezu in Echtzeit sicherzustellen und gleichzeitig die Latenz zu reduzieren. Andernfalls ist es für bestimmte Dienste einfach inakzeptabel.

Mit der Verbreitung kritischer Anwendungen, die Echtzeit-Rechenressourcen erfordern, und der Verbreitung intelligenter Funktionen, die durch künstliche Intelligenz (KI) unterstützt werden, wie automatisches Fahren, Telemedizin und Virtual-Reality-Anwendungen, ist die Datenverarbeitung näher am Endbenutzer und damit näher an der Kante, was entscheidend ist. Wenn das System beispielsweise mehrere zehn Millisekunden verzögert, wenn das Auto das gesamte Netzwerk durchquert und zurückkehrt, fährt das Auto auch nach Erhalt des Bremsbefehls noch mehrere Meter weiter. Durch die Nutzung von Edge-Ressourcen und die Reduzierung der Verzögerung um das Zehnfache wird die Zeit vom Befehl bis zum Bremsen erheblich verkürzt.

Edge-Computing-Ressourcen (oder Multi-Access-Edge-Computing) finden problemlos einen Platz in der traditionellen Zentrale des Wireless Access Network (RAN). Zusätzliche Hardware-Ressourcen und Server mit KI-Beschleunigern können in einer variablen Entfernung von mehreren Kilometern vom Antennencluster platziert werden. Dadurch wird eine Menge zusätzlicher Hardware-Infrastruktur entstehen.

Das 5G-Netzwerk verfügt über NR-Zugangsstandards und -Funktionen und eignet sich daher für mehrere vertikale Märkte mit unterschiedlichen Anwendungen. Dies hat zu übermäßigen Hardwareanforderungen geführt, einschließlich der Anforderungen an ein aktives Antennensystem (AAS) und andere Geräte, wodurch auch das Konzept der Remote-Radio-Kopfstation durch integrierte Antennen weiterentwickelt wurde. Diese Integration trägt dazu bei, die Herausforderungen zu lösen, denen sich 5G in folgenden Aspekten gegenübersieht: Nutzung räumlicher Diversität und lokaler Strahlen zur Verbesserung der Kapazität und Implementierung der groß angelegten MIMO-Technologie (mMIMO).

Die AAS-Technologie kann die Effizienz der Basisstation maximieren und es Betreibern ermöglichen, ihre Kapazität (bis zum Fünffachen von 5G) und Netzabdeckung deutlich zu erhöhen. Das Leistungsverstärker-Cluster (PA) und die Antennenelemente sind die Grundkomponenten von AAS (derzeit können bis zu 1024 PAs enthalten sein), die eine vollständige Netzwerkzugriffsfunktion für die Verbindung mit dem Basisbandknoten bereitstellen können, an dem sich der Basisbandknoten befinden kann am selben Standort wie das AAS oder in der Zentrale (Cloud RAN). Frequenzmultiplexing kann durch mMIMO realisiert werden (diese Technologie basiert auf räumlicher Diversität und unterstützt mehrere Synchronisationen und separate Datenpfade für einzelne Benutzer), und Frequenzmultiplexing ist zum Hauptfaktor für die Verbesserung der BTS-Kapazität geworden, die zur Implementierung von räumlichem Multiplexing verwendet wird.

Wenn mehrere Antennen verwendet werden, kann auch eine verbesserte Beamforming-Technologie verwendet werden, die 3D-gerichtete und fokussierte Strahlen verwendet. Diese Technologie reduziert die Interferenzen benachbarter Kanäle, maximiert die erreichbare Entfernung bei gleicher Leistung und lenkt den Datenfluss zum gewünschten Ziel. Dadurch kann die Gesamtkapazität optimiert und ein höherer Funksignaldurchsatz erreicht werden.

AAS wurde in der Endphase von 4G eingesetzt. Als neues Gerät wird AAS nun häufig dort eingesetzt, wo Kapazität und Abdeckung verbessert werden müssen. Die Implementierung eines neuen Spektrums, das abwärtskompatible 4G-Hardware und Basisband unterstützt, das aktualisierbare Software unterstützt, wird auch die Hardware-Aktualisierung von Makro-BTS fördern.

Um die Abdeckungsdichte neuer Dienste zu erhöhen, insbesondere in dicht besiedelten Umgebungen wie Wohnhochhäusern, Stadien, Einkaufszentren und Freizeitparks, müssen kleine Zellen eingesetzt werden, um die Übertragung näher an den Nutzern mit geringerem und höherem Stromverbrauch zu ermöglichen Bitrate.

Aus Hardware-Perspektive ist die größte Herausforderung die Dichte. Dabei geht es vor allem um die Frage, wie ein umfassendes Wärmemanagement in immer kleineren Paketen erreicht werden kann. Zweitens: Wie können Erwartungen durch umfassende Integration von Funktionen und Komponenten effektiv erfüllt werden? Drittens gilt es bei all dem, eine hohe Leistung bei geringem Stromverbrauch aufrechtzuerhalten.

Um dies zu erreichen, müssen alle Komponenten in AAS, von Transceivern über Uhren bis hin zum Energiemanagement, neu gestaltet oder angepasst werden, um den anspruchsvollen Anforderungen gerecht zu werden, die durch die zunehmende Anzahl von Komponenten im neuen Gerät entstehen. Dies kann durch den Hochfrequenz-Transceiver (RF-Transceiver) realisiert werden, indem weitere RF-Transceiver integriert, Zusatzfunktionen hinzugefügt und intelligente Systemlösungen geschaffen werden, um viele neue Komponenten durch gemeinsames Energiemanagement zu gruppieren.

Ein hochintegrierter Mehrkanal-HF-Transceiver ist das Kernelement des 5G-Hardwareentwurfs. Dies erfordert nicht nur eine HF-Signalbandbreite von bis zu 1 GHz, sondern unterstützt auch den Multiband-Betrieb. Durch die Implementierung der RF-Abtasttechnologie können die beschriebenen Eigenschaften in einer einfacheren Architektur zu geringeren Kosten implementiert werden. Der Serializer/Deserializer-Transceiver hat eine Leistung von mehr als 10 Gbit/s und einen integrierten Phasenregelkreis (PLL)/spannungsgesteuerten Oszillator (VCXO) mit geringem Jitter. Eine weitere Schlüsselfunktion dieser neuen On-Chip-Systeme besteht darin, dass sie die Erzeugung von Abtasttakten vereinfachen können, indem sie die Verwendung von Referenztakten mit niedrigeren Frequenzen ermöglichen.

Die Erfüllung der Timing-Anforderungen von 5G-Netzwerken mit hoher Bandbreite kann nicht außer Acht gelassen werden. Im aktuellen Mobilfunknetz muss die Timing-Quelle (spannungsgesteuerter Quarzoszillator (VCXO)/temperaturkompensierter Quarzoszillator (TCXO)) einen sehr geringen Jitter aufweisen und in der Lage sein, die Anforderungen einer kontinuierlichen Rauschreduzierung zu erfüllen, um Quadraturamplitudenmodulation höherer Ordnung zu unterstützen und erhalten Sie die beste Millimeterwellen-Übertragungsleistung.

Gemäß der Cloud-RAN-Architektur bietet die neueste Common Radio Interface (CPRI)-Spezifikation (genannt eCPRI (EthernetCPRI)) als Mehrpunktverbindung zwischen dem Baseband Unit (BBU)-Pool und dem Remote Radio Unit (RRU)-Netzwerk eine Verbindung mit hoher Bandbreite, um den Anforderungen mehrerer RRU gerecht zu werden. Da 5GeCPRI in der 5G-Vorwärtsübertragung verwendet wird, müssen neue Timing-Anforderungen erfüllt werden. Bei der Punkt-zu-Punkt-CPRI-Verbindung müssen Zeitsynchronisation und Frequenzsynchronisation im Wesentlichen gewährleistet sein, aber diese Art der Synchronisation ist kein nachträgliches Problem mehr, sondern muss als Teil der gesamten 5G-Timing-Lösung gelöst werden. Daher hat sich der Taktbaum von einer VCXO-basierten Jitter-Entfernungslösung, die von der CPRI-Übertragung übernommen wurde, zu einer TCXO-basierten Netzwerksynchronisierungslösung weiterentwickelt, um die Timing-Anforderungen in eCPRI zu bewältigen.

Darüber hinaus wird die 5G-Makro-Basisstation auch den Multicarrier-Global-Mobile-Communication-System-Standard (GSM) für Übertragungen unter 6 GHz unterstützen. Daher muss der Taktbaum auch die Anforderungen an Punktphasenrauschen erfüllen, die nicht gegen die allgemeine GSM-Blocker-Spezifikation verstoßen. Bei einer 5GmMIMO-Basisstation kann der Einsatz der Beamforming-Technologie das Spektrum effektiv nutzen und gleichzeitig Interferenzen minimieren. Dies wirkt sich auf den Versatz zwischen verschiedenen Ausgängen im Taktbaum der HF-Signalverbindung aus

Es werden enge Zwänge gebildet. Zusätzlich zum Antennenkalibrierungsplan auf Systemebene gibt es eine Vielzahl von Technologien auf Platinen- und Chipebene (z. B. der Nullverzögerungsmodus), mit denen Verzögerungsänderungen des Taktbaums im Prozess, der Spannungs- und Temperaturwinkel minimiert werden können, um den Strahl zu verbessern Umformeffizienz.

5G verändert auch das Lastpunktparadigma, um eine Reihe von Stromverbrauchsanforderungen des Internets der Dinge, kleiner Mobilfunknetze und aktiver Antennen zu erfüllen. Der Leistungsschwankungsbereich (Ausdehnung) reicht von einigen Zehntel Watt bis zu Hunderten Watt. Genauer gesagt wurde mit dem Anstieg des Stromverbrauchs/Strombedarfs der Wert des Verteilungsbusses auf 12 V geändert, um den Anforderungen von AAS, verteilten Antennensystemen und mMIMO-Radio der neuen Generation gerecht zu werden.

Mit dem Anstieg des Stromverbrauchs in RRU und BBU wird die Rolle des Power Management Bus (PMBus) immer offensichtlicher. Gleichzeitig werden Hochspannungs-Abwärtswandler ständig verbessert, um sich an die zunehmende Anzahl von PAs anzupassen, die eine 3D-Wärmeableitung und 100-V-Betriebswandler mit variablen Stromgrenzen erfordern. Um präzise Takt- und Transceiverschaltungen im Funkgerät bereitzustellen und gleichzeitig die Dichte zu erhöhen, können Größe und Rauschen auch durch dedizierte Mehrkanalkonverter reduziert werden. Der Wandler wird als Ersatz für den Low-Dropout-Spannungsregler verwendet und die Schaltgeschwindigkeit liegt über 1 MHz, um die Größe zu reduzieren und gleichzeitig den Wirkungsgrad beizubehalten.

Die Minimierung des Inhalts, der Komplexität und der Kosten von Stücklisten ist der Schlüssel zum Sieg im 5G-Hardware-Wettbewerb, und die Integration von Funktionen in integrierte Schaltkreise ist der Weg, diese Ziele zu erreichen. Halbleiterunternehmen müssen eng mit ihren Basisstationsausrüstungskunden zusammenarbeiten, um hochintegrierte HF-Transceiver, optimierte Signalketten und Stromversorgungen zu produzieren, um die kontinuierliche Entwicklung der 5G-Technologie zu unterstützen.

Die jüngsten historischen Daten der Kommunikationsbranche zeigen, dass der Zyklus der Aufrüstung auf die Technologie der nächsten Generation 10 Jahre beträgt. Die von 5G angenommene Geschwindigkeit ist ähnlich, gefolgt von der Erwartung seiner höchsten Reife.

5G ist bereit, dem Konzept der vernetzten Erde durch neue Infrastruktur, neue Ausrüstung und neue Anwendungsfälle neue Dynamik zu verleihen. Mit seiner hohen Kapazität und geringen Latenz wird 5G den Kontakt zwischen Menschen und Geräten völlig verändern.

Auf Unternehmensebene könnte 5G einen größeren Wandel bewirken und geschäftskritische Dienste ermöglichen, von denen erwartet wird, dass sie die gesamte Branche völlig verändern. Im realen 5G-Zeitalter werden Machine-to-Machine-Technologie, Low-Power-Sensoren, Mobilitätsmanagement, Fernüberwachung von Geräten/Anlagen und Smart Grids in den Fabriken der Zukunft allgegenwärtig sein.

Andere Aspekte von 5G werden verbessert, wenn in der 16. Ausgabe ein höheres Spektrum aktiviert wird. Mithilfe eines Millimeterwellen-Mesh-Netzwerks kann eine kostengünstige Backhaul-Übertragung kleiner Mobilfunk-Basisstationen in dicht besiedelten städtischen Gebieten realisiert werden. Diese Netzwerke werden auch auf werkstatt- oder fahrzeugvernetzte Kommunikationssysteme anwendbar sein, was diese Technologie zu einem wichtigen Treiber für das automatische Fahren macht, da Fahrzeuge mit Fahrzeugen, Verkehrssignalen und den neuesten digitalen Karteninformationen kommunizieren müssen.

5G mag ein zukunftsorientiertes Netzwerk sein, aber es verkörpert die harte Arbeit heutiger Ingenieure und wird die Welt, in der wir leben, sicherlich zu einem besseren Ort machen.